1、<p>　　基于單片機(jī)的紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障的診斷、設(shè)備安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。溫度在絕對(duì)零度以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過(guò)紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。紅外檢測(cè)器將吸收的輻射轉(zhuǎn)化為熱能，

2、因此提高檢測(cè)器的溫度，并把溫度變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，放大顯示出來(lái)。紅外測(cè)溫打破了傳統(tǒng)的測(cè)溫模式，并且具備遠(yuǎn)距離非接觸式測(cè)量、回應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣和可同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度的特點(diǎn)，測(cè)量距離可達(dá)30米左右。</p><p>　　單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，可以說(shuō)，智能控制與自動(dòng)控制的核心就是單片機(jī)，單片機(jī)在檢測(cè)和控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用, 溫度則是系統(tǒng)常需要測(cè)量、控

3、制和保持的一個(gè)量。</p><p>　　本文主要介紹了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并基于單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅外溫度的測(cè)量，系統(tǒng)采用具有SPI（串行外圍接口）接口的TN系列紅外溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度信號(hào)，可同時(shí)測(cè)量目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)送給SPCE061A單片機(jī)處理，之后送數(shù)碼管顯示，同時(shí)利用SPCE061A單片機(jī)的語(yǔ)音功能播報(bào)溫度值。該溫度計(jì)以其準(zhǔn)確快捷的測(cè)量功能、清晰易懂的數(shù)字化顯示方便人們

4、日常生活使用，語(yǔ)音播報(bào)功能使其更加智能化、人性化。</p><p>　　關(guān)鍵詞　紅外測(cè)溫；TN9；單片機(jī)</p><p>　　A System of Infrared Temperature Measurement Based on Single-chip Microcontroller</p><p><b>　　Abstract</b>&l

5、t;/p><p>　　Infrared temperature-measuring in the process of product quality control and monitoring, equipment, equipment on-line fault diagnosis safety protection and energy saving etc plays a very important ro

6、le. Temperature of objects above absolute zero, the molecules are due to their own movement, the infra-red radiation. Through the infrared detector we can change the power signals which objects radiate into electrical si

7、gnals. Infrared detector will absorb the radiation into heat, thereby increasing </p><p>　　SCM has small, strong function, low cost, application, advantages and intelligent control and automatic control of s

8、ingle-chip microcomputer in the core is, inspection and control system has been widely used in the system, the temperature is often need to measure and control and maintain a quantity.</p><p>　　This paper in

9、troduced the use of single chip microcomputer temperature control system design process, and based on single-chip microcomputer control technology, the infrared temperature measurement system using a serial interface (SP

10、I) interface of periphery of infrared temperature sensor TN series, signal measuring temperature measuring temperature and environmental temperature, the goal and the measurement data to SPCE061A processing, after that,

11、at the same time sent by using the function of </p><p>　　Keywords　Infrared temperature-measuring;TN9; Single-chip Microcontroller</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印</p><p><b>　　目錄<

12、;/b></p><p><b>　　摘要……I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 紅外測(cè)溫技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r介紹2</

13、p><p>　　1.3 紅外測(cè)溫技術(shù)國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r介紹2</p><p>　　1.4 國(guó)內(nèi)外紅外測(cè)溫技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r比較2</p><p>　　1.5 論文主要研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第2章 紅外測(cè)溫原理及相關(guān)器件介紹4</p><p>　　2.1 紅外測(cè)溫原理4</p><p>　　2

14、.1.1 紅外輻射基礎(chǔ)理論4</p><p>　　2.1.2 非接觸紅外測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)7</p><p>　　2.2 基于單片機(jī)的智能儀器設(shè)計(jì)方法7</p><p>　　2.2.1 智能儀器的組成及特點(diǎn)8</p><p>　　2.2.2 智能儀器的設(shè)計(jì)方法9</p><p>　　2.3 控制芯片模塊介紹10<

15、;/p><p>　　2.3.1 SPCE061A 16位單片機(jī)介紹11</p><p>　　2.3.2 SPCE061A片內(nèi)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)11</p><p>　　2.4本章小結(jié)13</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)14</p><p>　　

16、3.2 主控板設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.1主控芯片的選擇14</p><p>　　3.2.2 主控板設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.3 顯示與鍵盤17</p><p>　　3.3.1鍵盤與顯示控制電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.3.2顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)17</p><p

17、>　　3.4 控制接口設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.4.1紅外測(cè)溫模塊接口設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.4.2鍵盤及顯示接口設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.4.3輔助部分接口設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.5電源模塊21</p><p>　　3.6抗干擾設(shè)計(jì)22</p>&l

18、t;p>　　3.7本章小結(jié)23</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)24</p><p>　　4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.3鍵盤掃描子程序26</p><p>　　4.4測(cè)溫子程序27</p><p>　　4

19、.5播報(bào)顯示子程序28</p><p>　　4.6中斷服務(wù)程序30</p><p>　　4.7 本章小結(jié)30</p><p><b>　　結(jié)論31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b

20、></p><p><b>　　附錄A34</b></p><p><b>　　附錄B39</b></p><p><b>　　附錄C43</b></p><p><b>　　附錄D44</b></p><p>　　千

21、萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　隨著人類社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)正在改變著人類的生活

22、習(xí)慣，在當(dāng)今社會(huì)，生活的節(jié)奏在不斷的加快，各種與生活相關(guān)的東西也在不斷更新。譬如說(shuō)體溫計(jì)，溫度是人體生命活動(dòng)的基本特征，也是觀察人體機(jī)能是否正常的一種生理信號(hào)。而傳統(tǒng)的體溫計(jì)多采用生物原理，根據(jù)水銀隨溫度升降的熱脹冷縮性質(zhì)，通過(guò)讀取刻度值來(lái)判斷溫度高低，有時(shí)由于光線較暗或其它因素的影響，使得觀察者難以準(zhǔn)確的判斷。同時(shí)，這些溫度計(jì)一般對(duì)單人單次測(cè)量在2-5分鐘左右，其工作效率很低，也難以用于大量的人群排查。</p><

23、p>　　今年我國(guó)局部地區(qū)人群感染甲型H1N1流感，它的前期癥狀表現(xiàn)為發(fā)熱，一旦有患者通過(guò)機(jī)場(chǎng)或車站人群密集的地方，疫情擴(kuò)散范圍會(huì)更為加大，在這種情況下，使用傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)來(lái)排查是否有疑似患者途經(jīng)則頗顯捉襟見肘。紅外測(cè)溫為測(cè)量人體溫度提供了快速、非接觸測(cè)量手段，可廣泛、有效地用于密集人群的體溫測(cè)量。非接觸紅外測(cè)溫計(jì)針對(duì)特定人群，比如兒童或老人，極其方便。且利用單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的語(yǔ)音功能便可克服傳統(tǒng)體溫計(jì)的許多缺陷。它不但可以以數(shù)字的

24、方式顯示出測(cè)量結(jié)果，使測(cè)量過(guò)程變得直觀，而且可以根據(jù)需要以語(yǔ)音播報(bào)出當(dāng)前的溫度值，除此之外，語(yǔ)音體溫計(jì)還具有較高的靈敏度，可以在幾秒鐘內(nèi)測(cè)得結(jié)果，且壽命長(zhǎng)，是較為理想的測(cè)溫儀器。</p><p>　　紅外輻射這一物理現(xiàn)象起源于1800年，赫胥爾首先發(fā)現(xiàn)了紅外輻射，經(jīng)過(guò)幾代科學(xué)家100多年的探索、實(shí)驗(yàn)與研究，總結(jié)出了正確的輻射定律，為成功地研制紅外測(cè)溫儀奠定了理論機(jī)車。直到本世紀(jì)50年代，紅外技術(shù)才開始進(jìn)入廣泛應(yīng)用

25、的階段【1】。近代紅外技術(shù)始于二戰(zhàn)，推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的原因主要是由于軍事上的迫切需要和航天工程的蓬勃開展。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)隨著光學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，紅外技術(shù)也日趨完善，其中紅外測(cè)溫技術(shù)也形成了完整的理論并成功的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等領(lǐng)域。</p><p>　　紅外測(cè)溫作為一門新技術(shù)和新方法 ,它的出現(xiàn)是紅外技術(shù)的發(fā)展結(jié)果。紅外技術(shù)是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸、 轉(zhuǎn)換、 探測(cè)并付諸應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。近

26、20年來(lái) ,紅外測(cè)溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、 設(shè)備在線故障診斷、 安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用 ,逐漸被廣泛應(yīng)用于電力、 食品加工、 冶金、 石化、 醫(yī)療、 科研等多種行業(yè)中。</p><p>　　隨著工農(nóng)業(yè)、 國(guó)防事業(yè)、 醫(yī)學(xué)的發(fā)展, 對(duì)溫度測(cè)量越來(lái)越迫切。 在某些場(chǎng)合, 溫度測(cè)量逐步上升為主要矛盾, 引起了各方面的普遍重視。例如在不停機(jī)的情況下對(duì)機(jī)械設(shè)備、 電力設(shè)備、 生產(chǎn)設(shè)備等進(jìn)行溫

27、度測(cè)量; 在不能造成產(chǎn)品的污染或損壞的情況下對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中或倉(cāng)庫(kù)里的產(chǎn)品溫度進(jìn)行測(cè)量; 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi), 為了了解病人的身體狀況, 需對(duì)病人身體各個(gè)部分的溫度進(jìn)行安全的測(cè)量。在這種背景下, 使用方便、 可快速對(duì)物體溫度進(jìn)行非接觸、 無(wú)損測(cè)量的紅外測(cè)溫技術(shù)就得到了極大的發(fā)展。若測(cè)溫不僅限于某一點(diǎn), 而是一個(gè)區(qū)域, 則可以呈現(xiàn)溫場(chǎng)分布的圖像。</p><p>　　紅外測(cè)溫技術(shù)也是一門很實(shí)用和前沿的技術(shù)，以此作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，

28、利于理論聯(lián)系實(shí)際，形成個(gè)人在這一方面的知識(shí)體系，是對(duì)本科階段學(xué)習(xí)內(nèi)容的升華，特別是對(duì)單片機(jī)控制、傳感器技術(shù)知識(shí)深入，它對(duì)學(xué)生自身綜合素質(zhì)與工程能力的培養(yǎng)也有重要意義。</p><p>　　紅外測(cè)溫技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r介紹</p><p>　　我國(guó)的紅外技術(shù)研究起步于60年代，70年代后期開始了紅外玻璃測(cè)溫計(jì)的研究，但至今未形成系列產(chǎn)品，工業(yè)應(yīng)用僅在近幾年才開始。60年代我國(guó)研制成功第一臺(tái)紅外測(cè)

29、溫儀，1990年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的測(cè)溫儀器，如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（雙瞄準(zhǔn)，目標(biāo)D 40mm，可達(dá)15 m）、WFHX330型（光學(xué)瞄準(zhǔn)，目標(biāo)D 50 mm，可達(dá)30 m）。近年來(lái)隨著我國(guó)工業(yè)迅速發(fā)展和產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的需求量越來(lái)越大，盡管熱電偶一類接觸性測(cè)溫傳感器件仍具有很大的優(yōu)勢(shì)，但非接觸性的紅外測(cè)溫技術(shù)正日益收到各行

30、各業(yè)的注視和研究開發(fā)。國(guó)外的紅外測(cè)溫技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)比較成熟，紅外測(cè)溫產(chǎn)品種類繁多，測(cè)溫精度及分辨率較高。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)紅外測(cè)溫儀的廠家和研究所有：上海自動(dòng)化三廠、云南儀表廠、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所、杭州無(wú)線電廠西光儀器廠等。</p><p>　　紅外測(cè)溫技術(shù)國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r介紹</p><p>　　在國(guó)外，非接觸紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展極為迅速：日本的千野、橫河、松下、川崎、精工、北辰、米諾他等公司生產(chǎn)的

31、簡(jiǎn)易輻射溫度計(jì)具有較高的水平。美國(guó)生產(chǎn)的PM－20、30、40、50、HAS－201測(cè)溫儀；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的應(yīng)用。DL－500 E可以應(yīng)用于110～500 kV變電設(shè)備上，圖像清晰，溫度準(zhǔn)確。紅外熱像儀，主要有日本TVS－2000、TVS－100，美國(guó)PM－250，瑞典AGA－ THV510、550、570。美國(guó)許多公司研制出各種便攜式輻射溫度計(jì)，如RAYTEK公司的Ranynger系列、WAHL

32、公司的DHS系列、UNITY PUWER SYSTEM公司的TM系列等。英國(guó)LAND公司和德國(guó)的IKE公司生產(chǎn)的紅外測(cè)溫儀都具有較高的準(zhǔn)確度。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外紅外測(cè)溫技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r比較</p><p>　　相比之下，國(guó)內(nèi)紅外測(cè)溫技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)技術(shù)落后，產(chǎn)品種類比較單一，測(cè)溫精度及測(cè)溫分辨率也不如國(guó)外產(chǎn)品在技術(shù)性能上國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品相比還有一定差距，但隨著紅外產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)應(yīng)用得更加普

33、及，會(huì)有更多廠家和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行這方面的研究，會(huì)推動(dòng)我國(guó)紅外測(cè)溫產(chǎn)品性能的提高，以滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。</p><p><b>　　論文主要研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本論文主要研究基于單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅外溫度測(cè)量，主要研究的內(nèi)容包括：紅外測(cè)溫原理及方法，單片機(jī)控制技術(shù)、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和測(cè)溫軟件設(shè)計(jì)等工作。</p><p>　　以單

34、片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)完成基于單片機(jī)的紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)，采用紅外溫度探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量目標(biāo)的非接觸溫度實(shí)時(shí)測(cè)量。完成測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和主要的測(cè)量軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)為紅外測(cè)溫系統(tǒng)，要求所測(cè)量的溫度應(yīng)非常準(zhǔn)確,同時(shí)要滿足數(shù)字化的要求。需要其具有良好的靈敏度。在我的實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)對(duì)DS18B20數(shù)字溫度傳感器和TN9這兩種紅外溫度傳感器進(jìn)行仔細(xì)的學(xué)習(xí)了解，并對(duì)相關(guān)要求進(jìn)行了合理的分析與論證，

35、最終，選取最合適的紅外溫度傳感器為設(shè)計(jì)所用。在以往的實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域中，常規(guī)方式是采用上、下位機(jī)的模式。上位機(jī)一般采用工業(yè)級(jí)的PC機(jī)，下位機(jī)一般采用單片機(jī)、PLC或DSP微控制器。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及軟件技術(shù)的發(fā)展，這種模式正逐漸被嵌入式系統(tǒng)所取代。人們可以選用高性能的微控制器(例如單片機(jī))或微處理器，加上嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，面向具體應(yīng)用編寫應(yīng)用程序，形成完整的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　紅外

36、測(cè)溫原理及相關(guān)器件介紹</p><p><b>　　紅外測(cè)溫原理</b></p><p><b>　　紅外輻射基礎(chǔ)理論</b></p><p>　　紅外技術(shù)時(shí)代的到來(lái)已經(jīng)打開了多種多樣應(yīng)用的大門，它們包括了光電子器件、電光器件、通信系統(tǒng)、高分辨率成像傳感器以及一大批其他商用和軍用傳感器。在把紅外技術(shù)應(yīng)用于各種器件與系統(tǒng)之前

37、，了解紅外輻射理論是極為重要的【2】。</p><p>　　紅外線是一種電磁波，具有與無(wú)線電波及可見光一樣的本質(zhì)，紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)的一次飛躍，對(duì)研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的廣闊道路。</p><p>　　紅外輻射也稱紅外光，其波長(zhǎng)從0.75m到1000m。紅外光在電磁波普中的位置如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 紅外光在電磁

38、波譜的位置</p><p>　　在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的0.4～0.75微米波段稱為可見光波段，而把波長(zhǎng)從0.75至1000微米的電磁波稱為紅外波段，紅外波段的短波端與可見光紅光相鄰，長(zhǎng)波端與微波相接?？梢姽廨椛渲饕獊?lái)自高溫輻射源，如太陽(yáng)、高溫燃燒氣體、灼熱金屬等，而任何低溫、室溫或加熱后的物體都有紅外輻射【3】。</p><p>　　紅外線是電磁波譜的一個(gè)部分，這一波段位于可

39、見光和微波之間。紅外光的最大特點(diǎn)就是具有很強(qiáng)的光熱效應(yīng)，是光譜中最大的光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光在光譜區(qū)中位于可見光之外，是一種不可見光。和所有的電磁波一樣，它也具有反射、折射、干涉、吸收等性質(zhì)。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度之上，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生紅外輻射，紅外輻射的強(qiáng)度與物體的溫度及表面的輻射能力有關(guān)。</p><p>　　紅外輻射的發(fā)射及其規(guī)律</p><p>　　先簡(jiǎn)單介紹

40、一下黑體的紅外輻射規(guī)律。所謂黑體，簡(jiǎn)單講就是在任何情況</p><p>　　下對(duì)一切波長(zhǎng)的入射輻射吸收率都等于1的物體，也就是說(shuō)全吸收。顯然，因?yàn)樽匀唤缰袑?shí)際存在的任何物體對(duì)不同波長(zhǎng)的入射輻射都有一定的反射（吸收率不等于1），所以，黑體只是人們抽象出來(lái)的一種理想化的物體模型。但黑體熱輻射的基本規(guī)律是紅外研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長(zhǎng)變化的定量關(guān)系。下面，我著重介紹其中的三個(gè)基本定律。&

41、lt;/p><p>　?。?）輻射的光譜分布規(guī)律-普朗克輻射定律</p><p>　　一個(gè)絕對(duì)溫度為T(K)的黑體，單位表面積在波長(zhǎng)附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射功率(簡(jiǎn)稱為光譜輻射度)與波長(zhǎng)、溫度T滿足下列關(guān)系見式（2—1）： </p><p><b>　?。?—1）</b></p><p>　　式中

42、，分別為第一、第二輻射常數(shù)。</p><p>　　普朗克輻射定律是所有定量計(jì)算紅外輻射的基礎(chǔ)。</p><p>　?。?）斯蒂芬—玻爾茲曼定律：</p><p>　　物體的總輻射率，即單位面積發(fā)射總功率與黑體溫度的四次方及材料表面的發(fā)射率成正比。數(shù)學(xué)表示見式（2—2）：</p><p><b>　?。?—2）</b>&l

43、t;/p><p>　　其中：，為 Stefan-Boltzmann常數(shù)，為材料表面發(fā)射率。</p><p>　　1879年斯蒂芬從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)而得到該公式，1884年玻耳茲曼從理論上證明了它。</p><p>　　斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會(huì)自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，而且，黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。而且，只要當(dāng)溫度

44、有較小變化時(shí)，就將會(huì)引起物體發(fā)射的輻射功率很大變化。那么，我們可以想象一下，如果能探測(cè)到黑體的單位表面積發(fā)射的總輻射功率，不是就能確定黑體的溫度了嗎？因此，斯蒂芬-玻耳茲曼定律是所有紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)。</p><p>　?。?）輻射的空間分部規(guī)律——朗伯余弦定律</p><p>　　所謂朗伯余弦定律，就是黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測(cè)方向相對(duì)于輻射表面法線夾角的余弦成正比見式（2—3）：&

45、#160;  </p><p><b>　　（2—3）</b></p><p>　　此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強(qiáng)。因此，實(shí)際做紅外檢測(cè)時(shí)。應(yīng)盡可能選擇在被測(cè)表面法線方向進(jìn)行，如果在與法線成角方向檢測(cè)，則接收到的紅外輻射信號(hào)將減弱成法線方向最大值的倍。</p><p>　　紅外輻射規(guī)律

46、在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題</p><p>　　前面所說(shuō)的輻射定律是對(duì)理想輻射源-黑體而言的，黑體的發(fā)射系數(shù)為1。</p><p>　　自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，它們的發(fā)射系數(shù)都小于1。這些物體與黑體的差別就體現(xiàn)在發(fā)射率、反射率及透射率上。我們知道，自然界充滿著電磁輻射，一切物體都處于電磁輻射之中，一切物體都在不斷地輻射、吸收、反射或透過(guò)紅外輻射。根據(jù)基爾霍夫定律，在熱平衡狀態(tài)下，物

47、體輻射的功率等于它吸收的功率。物體的輻射率、反射率和透過(guò)率總和為1。用公式表示，即E+R+T=1,E為發(fā)射率，R為反射率，T為透射率。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長(zhǎng)外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。這里，我們引入一個(gè)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，則就可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體。這個(gè)輻射系數(shù)，就是常說(shuō)的發(fā)射率，或稱之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫

48、度黑體輻射性能之比。</p><p>　　德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在相同的溫度下，各種物體在同一波長(zhǎng)的發(fā)射率與吸收率的比值都相等，并等于該溫度下黑體在同一波長(zhǎng)的發(fā)射率。數(shù)學(xué)表示見式（2—4）： </p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　其中λ為波長(zhǎng)、 T為物體絕對(duì)溫度，表示黑體在特定溫度和波長(zhǎng)下的本領(lǐng)，為常

49、數(shù)。該定律指出物體發(fā)射本領(lǐng)和吸收率之間的普遍關(guān)系，通俗地說(shuō)就是輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng)。</p><p>　　物體的輻射出射度M(T)和吸收本領(lǐng)的比值M/與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，等于同一溫度下黑體的輻射出射度M0(T)。其表明，吸收本領(lǐng)大的物體，其發(fā)射本領(lǐng)大，如果該物體不能發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射能，也決不能吸收此波長(zhǎng)的輻射能。</p><p><b>　　生物波譜</b&

50、gt;</p><p>　　生物波譜又稱生物頻譜，是生物自身發(fā)出的生物物理信息的光波或頻率的</p><p>　　綜合稱謂，它構(gòu)成生物體周圍的生物信息場(chǎng)?？茖W(xué)研究表明，生物體（包括人體）可產(chǎn)生溫度場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等，統(tǒng)稱為生物信息場(chǎng)，可以用物理學(xué)中的電磁波譜頻率或波長(zhǎng)、溫度等物理因子來(lái)表述。</p><p>　　生物波譜的波長(zhǎng)覆蓋范圍在電磁波譜中的紫外線到弱微波之間，

51、人體的生物波譜則主要在紅外線到弱微波區(qū)域，尤其集中在紅外線波段范圍。因此它遵循電磁波的一切特性。</p><p>　　生物波譜的這種物理信息的存在、變化是與生物體自身功能狀態(tài)密切相關(guān)的，同樣可以反映生物體的健康狀態(tài)。</p><p>　　在人體生物信息場(chǎng)已知物理參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，對(duì)輻射能量比較集中的波譜分布，取得比較一致的數(shù)值結(jié)果，J·D哈里認(rèn)為，人體輻射能量與皮膚表面溫度及輻射

52、率有關(guān)?；铙w皮膚光譜范圍約為3-50m，其中8-14m波段的輻射量占總能量的46%，峰值波長(zhǎng)約為9.5m，雖然人體生物波譜分布范圍較寬，從可見光到微波波段，但在非能量集中區(qū)域，信號(hào)強(qiáng)度較低，尤其在遠(yuǎn)端的數(shù)值極其微弱。</p><p>　　經(jīng)科學(xué)檢測(cè)，不管人的膚色如何，干燥皮膚的紅外輻射率(emissivity)均為0.98,近似為黑體。根據(jù)普朗克定律，其波長(zhǎng)主要分布在2.5-25m紅外波段范圍內(nèi)，根據(jù) Wien

53、定律λm·T＝2898（Kμm），人體皮膚輻射的峰值波長(zhǎng)約9.5m 。</p><p><b>　　非接觸紅外測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)</b></p><p>　　非接觸紅外測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)如下：</p><p>　　1. 遠(yuǎn)距離和非接觸測(cè)量</p><p>　　紅外測(cè)溫不需要與被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面，因此，不會(huì)干擾被測(cè)溫度場(chǎng)的狀態(tài)，

54、測(cè)溫儀本身也不受溫度場(chǎng)的損傷。并可遠(yuǎn)距離測(cè)量，它特別適合于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體、旋轉(zhuǎn)體、帶電體和高溫高壓下物體的溫度測(cè)量。</p><p><b>　　2. 響應(yīng)速度快</b></p><p>　　紅外測(cè)溫不象熱電偶、溫度計(jì)那樣，需要與被測(cè)量體接觸以達(dá)到熱平衡，只要接到目標(biāo)的紅外輻射即可測(cè)量，其響應(yīng)時(shí)間在毫秒甚至微秒數(shù)量級(jí)。</p><p><

55、b>　　3. 靈敏度高</b></p><p>　　因物體溫度的微小變化會(huì)引起輻射功率的較大變化，容易被探測(cè)器探出，故紅外測(cè)溫的可測(cè)溫差很小，可達(dá)零點(diǎn)幾攝氏度。</p><p><b>　　4. 準(zhǔn)確度高</b></p><p>　　紅外測(cè)溫是非接觸測(cè)量，不破壞物體本身的溫度分布，因而所測(cè)溫度真是、準(zhǔn)確、誤差可達(dá)0.1oC以下

56、。</p><p><b>　　5. 測(cè)溫范圍廣</b></p><p>　　測(cè)溫范圍可從負(fù)幾十?dāng)z氏度到正幾千攝氏度【4】。因其是非接觸測(cè)溫，所以測(cè)溫系統(tǒng)并不處在較高或較低的溫度場(chǎng)中，而是工作在正常的溫度或測(cè)量系統(tǒng)允許的條件下。</p><p>　　基于單片機(jī)的智能儀器設(shè)計(jì)方法</p><p>　　微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代

57、電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命的影響。微處理器在20世紀(jì)70年代初期問(wèn)世不久，就被引進(jìn)電子測(cè)量和儀器領(lǐng)域，所占比重在各項(xiàng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中名列前茅。在這之后，隨著微處理器在體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等方面的進(jìn)一步的發(fā)展，電子測(cè)量與儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合就愈加緊密，形成了一種全新的微型計(jì)算機(jī)化儀器。目前，人們習(xí)慣將這種內(nèi)含微型計(jì)算機(jī)并帶有相關(guān)通信接口的電子儀器稱為智能儀器，以區(qū)別于傳統(tǒng)的電子儀器【5】。</p&

58、gt;<p>　　智能儀器的組成及特點(diǎn)</p><p>　　以單片機(jī)為核心的智能測(cè)量?jī)x器的基本組成如圖2-2所示。單片機(jī)是儀器</p><p>　　的主體，對(duì)于小型儀器來(lái)說(shuō)，單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器已經(jīng)足夠；大型儀器要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，或者要完成復(fù)雜的控制功能，其監(jiān)控程序較大，測(cè)量、處理的數(shù)據(jù)很多，這是需要在單片機(jī)外部擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器，被測(cè)量的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后，通過(guò)輸入通

59、道進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部；單片機(jī)根據(jù)由鍵盤置入的各種命令，或者送往打印機(jī)打印，或者經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后成為能夠完成某種控制的模擬電壓。通信接口的功能是通過(guò)接口總線與其他儀器甚至計(jì)算機(jī)作遠(yuǎn)距離通信，以達(dá)到資源共享的目的。</p><p>　　圖2-2 智能儀器通用結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　現(xiàn)在傳感器也正在受著微電子技術(shù)的影響，不斷發(fā)展變化。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。有許多國(guó)家

60、正致力于將微處理器與傳感器集成于一體，以構(gòu)成超小型、廉價(jià)的測(cè)量?jī)x器的主體。</p><p>　　近20年來(lái)，由于微電子學(xué)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，智能化測(cè)量控制儀表已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。從技術(shù)背景上來(lái)說(shuō)，硬件集成電路的不斷發(fā)展和創(chuàng)新是一個(gè)重要因素，各種集成電路芯片都在朝大規(guī)模、全CMOS化的方向發(fā)展。CMOS電路具有功耗低、工作溫度范圍寬的特點(diǎn)。一個(gè)全CMOS電路系統(tǒng)的功耗只是普通TTL系統(tǒng)功耗的1/10，

61、采用這種CMOS芯片組成的智能化測(cè)量控制儀表可以采用干電池供電，從根本上解決了市電干擾的問(wèn)題。同時(shí)還可以使儀器小型化，便于攜帶。</p><p><b>　　智能儀器的設(shè)計(jì)方法</b></p><p>　　智能儀器是以微型計(jì)算機(jī)為核心的電子儀器，它不僅要求設(shè)計(jì)者熟悉電子儀器的工作原理，而且還要求掌握微型計(jì)算機(jī)硬件和軟件的原理。因而其設(shè)計(jì)不能完全沿用傳統(tǒng)電子儀器的設(shè)計(jì)方

62、法和手段。</p><p>　　為了保證儀器的質(zhì)量，提高研制效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在正確的設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，按照一個(gè)合理的步驟進(jìn)行開發(fā)。設(shè)計(jì)研制一臺(tái)智能儀器的一般開發(fā)過(guò)程如圖2-3所示。各主要階段的設(shè)計(jì)原則和工作內(nèi)容簡(jiǎn)要概述如下。</p><p><b>　　1．確定設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　首先根據(jù)儀器最終要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，編寫設(shè)計(jì)任務(wù)

63、說(shuō)明書，明確儀器應(yīng)具備的功能和應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，應(yīng)力求準(zhǔn)確簡(jiǎn)潔。</p><p>　　2．?dāng)M制總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　這個(gè)階段，設(shè)計(jì)者首先依據(jù)設(shè)計(jì)的要求和一些約束條件，提出幾種可能的方案。每個(gè)方案應(yīng)包括儀器的工作原理，采用的技術(shù)，重要元器件的性能等；接著要對(duì)各方案進(jìn)行可行性論證，包括對(duì)某些重要部分的理論分析與計(jì)算以及一些必要的模擬實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證方

64、案是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求；最后再兼顧各方面因素選擇其中之一作為儀器的設(shè)計(jì)方案。在確定儀器總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，微處理器的選擇非常關(guān)鍵。微處理器是整個(gè)儀器的核心部件，應(yīng)從功能和性能價(jià)格比等多方面進(jìn)行認(rèn)真考慮。</p><p>　　3．確定儀器工作總框圖</p><p>　　當(dāng)儀器總體方案和選用的微處理器的種類確定之后，就應(yīng)該采用自上而下的方法，把儀器劃分成若干個(gè)便于實(shí)現(xiàn)的功能模塊，并分別繪制出相應(yīng)的

65、硬件和軟件工作框圖。</p><p>　　硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試</p><p>　　一旦儀器工作總框圖確定之后，硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。</p><p>　　硬件電路設(shè)計(jì)的一般過(guò)程是：先根據(jù)儀器硬件框圖按模塊分別對(duì)個(gè)單元電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；然后再進(jìn)行硬件合成，即將各單元電路按硬件框圖將各部分電路組合在儀器，構(gòu)成一個(gè)完整的整機(jī)硬件電路圖。在完成電路

66、設(shè)計(jì)之后，即可繪制硬件原理圖，然后進(jìn)行裝配與調(diào)試。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)一般按列步驟進(jìn)行：即先分析儀器系統(tǒng)對(duì)軟件的要求；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)，包括程序總體及污垢設(shè)計(jì)和對(duì)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)即將程序劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊；接著畫出每一個(gè)專用程序模塊的詳細(xì)流程圖，并選擇合適的語(yǔ)言編寫程序；最后按照軟件總體設(shè)計(jì)時(shí)給出的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊入口、出口及對(duì)硬件資源占用情況。</p>

67、<p>　　圖2-3 設(shè)計(jì)研制智能儀器的一般過(guò)程</p><p>　　2.3 控制芯片模塊介紹</p><p>　　從設(shè)計(jì)任務(wù)及要求來(lái)看，整個(gè)設(shè)計(jì)要求我們完成一個(gè)基于單片機(jī)的紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)能夠通過(guò)按鍵來(lái)啟動(dòng)紅外測(cè)溫，之后需要將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)送單片機(jī)處理，得到溫度值；這一溫度值又需要顯示并且語(yǔ)音播報(bào)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)其智能化和人性化。從這一分析來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)需要

68、這樣幾個(gè)功能模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊、紅外測(cè)溫模塊、鍵盤顯示模塊以及語(yǔ)音輸出模塊。其中單片機(jī)機(jī)型的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樗倪x擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜和難易程度。</p><p>　　2.3.1 SPCE061A 16位單片機(jī)介紹</p><p>　　SPCE061A 是繼µ’nSP?系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽(yáng)科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲(chǔ)

69、器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使µ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。因此，與SPCE500A相比，以µ’nSP?為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。</p><p><b>　　部分性能簡(jiǎn)介：</b></

70、p><p>　　工作電壓(CPU) VDD為2.4～3.6V (I/O) VDDH為2.4～5.5V；CPU時(shí)鐘：0.32MHz～49.152MHz；可編程音頻處理；內(nèi)部震蕩，外接晶體振蕩器；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電僅為2µA3.6V；2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；2個(gè)10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器A

71、 / B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)功能；具備串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(cè)(LVD)功能；內(nèi)置在線仿真電路ICE（

72、In- Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能【6】。</p><p>　　2.3.2 SPCE061A片內(nèi)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部ROM、RAM存儲(chǔ)器的編址有兩種方式：一種是ROM、RAM、I/O統(tǒng)一編址；另一種是獨(dú)立編址，稱為哈佛結(jié)構(gòu)。SPCE061A是存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。其片內(nèi)存儲(chǔ)器地址映射如圖2-4所示。<

73、;/p><p>　　0x0700~0x07FF地址是2K字的SRAM（包括堆棧區(qū)）。</p><p>　　0x0800~0x6FFF地址保留，未使用。</p><p>　　0x7000~0x7FFF地址是I/O和系統(tǒng)端口，也是專用的控制設(shè)置寄存器和輸入/輸出口地址，與51的特殊功能據(jù)村其的作用類似。</p><p>　　0x8000~0xFFF5

74、地址是32K字閃存（Flash ROM），作為程序和有關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。</p><p>　　0XFFF6~0xFFFF地址是中斷向量入口地址。</p><p>　　該單片機(jī)復(fù)位后PC的數(shù)值被置為0x8000，程序由此開始執(zhí)行。</p><p>　　圖2-4 SPCE061A內(nèi)存映射表</p><p>　　下面分別介紹一下SPCE061A的RAM

75、和堆棧。</p><p>　　RAM一般分為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）兩大類。SRAM是英文Static RAM的縮寫，它是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。不像DRAM內(nèi)存那樣需要刷新電路，每隔一段時(shí)間，固定要對(duì)DRAM刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會(huì)消失，因此SRAM具有較高的性能，但是SRAM也有它的缺點(diǎn)，即它的集成度較低，相同容量的DRAM內(nèi)存可以設(shè)計(jì)

76、為較小的體積，但是SRAM卻需要很大的體積，所以在主板上SRAM存儲(chǔ)器要占用一部分面積。優(yōu)點(diǎn)，速度快，不必配合內(nèi)存刷新電路，可提高整體的工作效率。缺點(diǎn)，集成度低，功耗較大，相同的容量體積較大，而且價(jià)格較高，少量用于關(guān)鍵性系統(tǒng)以提高效率。SPCE061A的讀寫存儲(chǔ)器的類別是靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）。</p><p>　　堆棧是一個(gè)區(qū)域，用來(lái)存放因中斷或子函數(shù)調(diào)用等而需要保存的一些數(shù)據(jù)。這個(gè)區(qū)域就是SRAM的一部分，只

77、是它有特殊的存取數(shù)據(jù)的原則，即“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”。</p><p>　　對(duì)應(yīng)的有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令：PUSH和POP,而且還有一個(gè)特殊的專為其服務(wù)的堆棧指針SP,每執(zhí)行一次PUSH指令，SP就自動(dòng)減1，每執(zhí)行一次POP指令，SP就自動(dòng)加1。</p><p>　　同其他單片機(jī)一樣，SPCE061A的堆棧是在內(nèi)存SRAM區(qū)專門開辟出來(lái)的按照“先進(jìn)后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式，如圖2

78、-5所示。</p><p>　　它主要用于子程序調(diào)用及返回和中斷處理斷電的保護(hù)及返回。堆棧的最大容量范圍限制在2K字SRAM內(nèi)，即其地址是在從0x07FF~0x0000的存儲(chǔ)器范圍中。值得注意的是，堆棧的生長(zhǎng)方向是自頂向下的，SPCE061A系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為0x07FF,每執(zhí)行一次PUSH指令，SP指令就會(huì)減1。</p><p>　　圖2-5 SPCE061A堆棧</p>

79、;<p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了紅外測(cè)溫技術(shù)的基本原理以及本設(shè)計(jì)中所需用到的模塊器件工作原理，第一部分介紹了紅外技術(shù)的基本理論基礎(chǔ)和紅外光測(cè)溫原理。第二部分介紹了核心控制模塊的工作原理，為下一章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)提供依據(jù)。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p>

80、<p><b>　　3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用基于單片機(jī)智能化儀器的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖3-1，系統(tǒng)由紅外測(cè)溫模塊、控制模塊、鍵盤及顯示模塊、電源組成。</p><p>　　SPCE061A單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度的測(cè)量、接受測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值，并根據(jù)取得的鍵值控

81、制播報(bào)顯示過(guò)程，同時(shí)通過(guò)音頻輸出通道播報(bào)溫度值；紅外測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)溫度的測(cè)量、采集，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)端口傳送到SPCE061A單片機(jī)；鍵盤顯示模塊控制按鍵操作和溫度的顯示。通過(guò)按鍵啟動(dòng)紅外測(cè)溫模塊，測(cè)量結(jié)束返回測(cè)量結(jié)果，待MCU運(yùn)算處理得出目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度后將溫度對(duì)結(jié)果進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。利用鍵盤可以控制測(cè)溫計(jì)的靈活性，按K1鍵，測(cè)量、播報(bào)和顯示目標(biāo)溫度與環(huán)境溫度；按K2鍵，僅測(cè)量、播報(bào)和顯示目標(biāo)溫度；按K3鍵，僅測(cè)量、播報(bào)和顯示環(huán)境溫度

82、。</p><p><b>　　3.2 主控板設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.2.1主控芯片的選擇</p><p>　　近10余年來(lái)，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)日新月異的發(fā)展，這類8位/16位單片機(jī)的性能又有了很大的增強(qiáng)，仍然保持著智能儀器主機(jī)電路主流機(jī)型的地位。我們知道方案選擇的關(guān)鍵是單片機(jī)機(jī)型的選擇。目前市場(chǎng)上主流單片機(jī)是8位和16位的

83、單片機(jī)，而且現(xiàn)在主要都是采用帶有閃存或其他功能的新型單片機(jī)，如8位的有美國(guó)Atmel公司的AT89C51、AT89S51等，PHLIPS公司的89C51RD2等等，16位的有臺(tái)灣凌陽(yáng)科技研發(fā)的SPCE061A等，因而這里主要介紹兩種方案。</p><p>　　采用MCS-51系列單片機(jī)外接數(shù)字式紅外探頭進(jìn)行溫度的數(shù)字化采集，并將結(jié)果通過(guò)LED模塊顯示，并需要給其設(shè)計(jì)相應(yīng)的鍵盤電路和語(yǔ)音輸出電路。同樣也可以采用其它

84、的8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，方案結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。</p><p>　　采用SPCE061A單片機(jī)外接數(shù)字式紅外探頭進(jìn)行溫度的數(shù)字化采集，并通過(guò)內(nèi)部語(yǔ)音算法將結(jié)果播報(bào)出來(lái)。方案結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。</p><p>　　比較方案一和方案二：方案一采用8位單片機(jī)，資源比較適中，但是如果需要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音功能則比較困難，擴(kuò)展電路比較復(fù)雜，而且還需要專用的仿真器；方案二采用SPCE061A單片機(jī)，該16位單片機(jī)

85、運(yùn)算能力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，而且?guī)в姓Z(yǔ)音功能，可以非?？旖莸貙?shí)現(xiàn)語(yǔ)音輸出功能，提高了集成度，并且能實(shí)現(xiàn)在線仿真、調(diào)試，帶來(lái)了諸多便利，所以最終選擇方案二。</p><p>　　系統(tǒng)的顯示方案有數(shù)碼管顯示和液晶顯示，本設(shè)計(jì)中我們采用數(shù)碼管來(lái)顯示。臺(tái)灣凌陽(yáng)公司同時(shí)開發(fā)了很多功能模塊，可供我們選擇，為我們完成紅外測(cè)溫計(jì)的設(shè)計(jì)提供了很多便利。本設(shè)計(jì)中主要采用了其生產(chǎn)的61板、紅外測(cè)溫模塊和鍵盤顯示模塊。</p>

86、<p>　　3.2.2 主控板設(shè)計(jì)</p><p>　　主控板設(shè)計(jì)是基于SPCE061A精簡(jiǎn)開發(fā)板開發(fā)設(shè)計(jì)完成的。是以凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A為核心的精簡(jiǎn)開發(fā)－仿真－實(shí)驗(yàn)板，是“凌陽(yáng)科技大學(xué)計(jì)劃”專為大學(xué)生、電子愛好者等進(jìn)行電子實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子制作及電子競(jìng)賽所設(shè)計(jì)的，也可作為單片機(jī)項(xiàng)目初期研發(fā)使用。61板除了具備單片機(jī)最小系統(tǒng)電路外，還包括有電源電路、音頻電路（含MIC輸入部分和D

87、AC音頻輸出部分）、復(fù)位電路等，采用電池供電，方便隨身攜帶。61板上有調(diào)試器接口（Probe接口）以及下載線（EZ_Probe）接口，分別可接凌陽(yáng)科技的在線調(diào)試器、簡(jiǎn)易下載線，配合unSP IDE，可方便地在板上實(shí)現(xiàn)程序的下載、在線仿真調(diào)試。另外，61板體積小、價(jià)格相對(duì)較低、采用電池供電，攜帶十分方便。SPCE061A的最小系統(tǒng)如圖3-4所示，本系統(tǒng)以SPCE061A單片機(jī)為主控芯片。</p><p>　　圖3-

88、4 SPCE061A最小系統(tǒng)</p><p>　　而核心控制模塊實(shí)際上就是SPCE061A單片機(jī)的最小系統(tǒng)。在主芯片的OSC0、OSC1端接上晶振及諧振電容，在鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應(yīng)的電容電阻后，即可構(gòu)成SPCE061A最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)主要包括SPCE061A芯片及其外圍的基本電路：晶振輸入電路（OSC）、鎖相環(huán)電路（PLL）、復(fù)位電路（RESET）、指示燈（LED）等，這些電路都做在61板

89、中。</p><p><b>　　3.3 顯示與鍵盤</b></p><p>　　3.3.1鍵盤與顯示控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用6位數(shù)碼管顯示，3個(gè)按鍵控制。整個(gè)電路我們采用凌陽(yáng)公司的LED鍵盤顯示模塊。設(shè)計(jì)中用到的硬件電路如圖3-5所示。</p><p>　　LED顯示及鍵盤模塊基本特性和主要功能如

90、下：</p><p>　　1. LED鍵盤模塊采用DC5V供電，也可以采用DC3.3V供電；</p><p>　　2. 擴(kuò)展了6位8段數(shù)碼管，顯示范圍為-99999～999999；</p><p>　　3. 8個(gè)發(fā)光二極管，可作為顯示狀態(tài)信息使用； </p><p>　　4. 8個(gè)按鍵，可以組成1×8鍵盤也可組成2×4鍵盤

91、；</p><p>　　5. 一個(gè)電位器，可以提供0～5V的模擬電壓信號(hào)或者0～3.3V的模擬電壓,與模組輸入的VDD有關(guān)。</p><p>　　3.3.2顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中只用到了三個(gè)按鍵和六位數(shù)碼管顯示，下面簡(jiǎn)單介紹一下用到的相關(guān)器件：</p><p>　　圖3-5 鍵盤及顯示電路</p>&l

92、t;p>　　1. ULN2003A </p><p>　　其內(nèi)部為三極管陣列，其IN腳相當(dāng)于三極管的B極，OUT較相當(dāng)于三極管的C極。若IN腳輸入高電平，對(duì)應(yīng)的OUT腳接地；IN腳輸入低電平，對(duì)應(yīng)的OUT腳截止輸出。 圖中：IN1～I(xiàn)N7為輸入信號(hào)，OUT1～OUT7為輸出信號(hào)，輸入信號(hào)高電平有效。 </p><p>　　2. LG5621CH </p><p&g

93、t;　　共陰極2位數(shù)碼管。其中a～dp為數(shù)碼管的段信號(hào)，G1、G2為2位數(shù)碼管的位信號(hào)。段信號(hào)高有效，位信號(hào)低有效。</p><p>　　3. LG5643EH</p><p>　　共陰極4位數(shù)碼管。其中a～dp為數(shù)碼管的段信號(hào)，d1、d2為時(shí)鐘冒號(hào)的段信號(hào)；G1～G4為4位數(shù)碼管的位信號(hào)，G5為時(shí)鐘冒號(hào)的位信號(hào)。段信號(hào)高有效，位信號(hào)低有效。</p><p>　　3

94、.4 控制接口設(shè)計(jì)</p><p>　　該紅外測(cè)溫系統(tǒng)主要由SPCE061A精簡(jiǎn)開發(fā)板、具有SPI接口的TN系列紅外測(cè)溫模塊、鍵盤顯示模塊以及電源和揚(yáng)聲器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連接圖如圖3-6所示。</p><p>　　3.4.1紅外測(cè)溫模塊接口設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫傳感器采用TN系列紅外測(cè)溫模塊，紅外測(cè)溫模塊參數(shù)如表3-7所示。紅外測(cè)溫模塊采用非接觸

95、測(cè)溫手段，解決了傳統(tǒng)測(cè)溫中需要接觸的問(wèn)題，具有回應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣以及可同時(shí)測(cè)量目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度的特點(diǎn)。</p><p>　　表3-7 TN系列紅外測(cè)溫模塊參數(shù)</p><p>　　測(cè)量回應(yīng)時(shí)間大約為0.5s，而且，它具備SPI接口，可以很方便地與MCU傳輸數(shù)據(jù)。</p><p>　　紅外測(cè)溫模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3-8所示。</p><

96、;p>　　五個(gè)引腳功能介紹：V為電源電壓引腳VCC，VCC一般為3V到5V之間的電壓，一般取VCC為3.3V；D為數(shù)據(jù)接收引腳，沒(méi)有數(shù)據(jù)接收時(shí)D為高電平；C為2KHz Clock輸出引腳；G為接地引腳；A為測(cè)溫啟動(dòng)信號(hào)引腳，低電平有效。紅外測(cè)溫模塊的時(shí)序圖如圖3-9所示，為SPI數(shù)據(jù)格式，在CLOCK的下降沿接收數(shù)據(jù)，一次溫度測(cè)量需接收5個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這五個(gè)字節(jié)中：Item為0x4c表示測(cè)量目標(biāo)溫度，為0x66表示測(cè)量環(huán)境溫度；M

97、SB為接收溫度的高八位數(shù)據(jù)；LSB為接收溫度的低八位數(shù)據(jù)；Sum為驗(yàn)證碼，接收正確時(shí)Sum=Item+MSB+LSB；CR為結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)CR為0x0dH時(shí)表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。</p><p>　　一幀數(shù)據(jù)包括5個(gè)Byte，每個(gè)Byte代表含義： Item值為“L”(4CH)時(shí)代表此幀為目標(biāo)溫度，Item值為“f”(66H)時(shí)代表此幀為環(huán)境溫度。MSB為8 bit Data Msb，LSB為8 bit Dat

98、a Lsb。Sum表示為Item+MSB+LSB=SUM。CR值為0DH表示結(jié)束碼。</p><p>　　無(wú)論測(cè)量環(huán)境溫度還是目標(biāo)溫度，只要檢測(cè)到Item為0x4cH或0x66H同時(shí)檢測(cè)到CR為0x0dH，它們的溫度的計(jì)算方法都相同。計(jì)算公式為（3—1）：</p><p>　　溫度 = Temp/16 – 273.15 （3—1）</p>&

99、lt;p>　　其中Temp為十進(jìn)制， 而測(cè)量結(jié)果為16進(jìn)制，把它直接轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制即可。比如MSB為0x14H，LSB為0x2aH，測(cè)量結(jié)果為0x142aH，十進(jìn)制表示為5162，則測(cè)得溫度值為5162/16-273.15=49.475℃。</p><p>　　紅外測(cè)溫模塊與SPCE061A采用同步串行的通信方式。</p><p>　　串口進(jìn)行通信的方式有兩種：同步通信方式和異步通信方

100、式。所謂同步通信是指在約定的通信速率下，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘信號(hào)頻率和相信始終保持一致（同步），這就保證了通信雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)具有完全一致的定時(shí)關(guān)系。同步通信把許多字符組成一個(gè)信息組，或稱為信息幀，每幀的開始用同步字符來(lái)指示。由于發(fā)送和接收的雙方采用同一時(shí)鐘，所以在傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)還要傳送時(shí)鐘信號(hào)，以便接收方可以用時(shí)鐘信號(hào)來(lái)確定每個(gè)信息位。</p><p>　　同步通信方式要求通信雙方以相同的時(shí)鐘頻率進(jìn)行，而

101、且準(zhǔn)確協(xié)調(diào)，通過(guò)共享一個(gè)單個(gè)時(shí)鐘或定時(shí)脈沖源保證發(fā)送方和接收方的準(zhǔn)確同步，效率較高。</p><p>　　異步通信是指通信中兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔是不固定的，而在一個(gè)字符內(nèi)各位的時(shí)間間隔是固定的。</p><p>　　異步通信方式不要求雙方同步，收發(fā)方可采用各自的時(shí)鐘源，雙方遵循異步的通信協(xié)議，以字符為數(shù)據(jù)傳輸單位，發(fā)送方傳送字符的時(shí)間間隔不確定，發(fā)送效率比同步傳送效率低【7】。</

102、p><p>　　紅外測(cè)溫模塊引出5個(gè)引腳，其中引腳V和引腳G分別接電源和地即可；引腳D接SPCE061A的IOA15，傳輸給SPCE061A測(cè)量數(shù)據(jù)；引腳C接SPCE061A的IOA14，則通過(guò)IOA14 就可以檢測(cè)到紅外測(cè)溫模塊時(shí)鐘；引腳A接SPCE061A的IOA13，這樣只要從IOA13 輸出低電平，就可以啟動(dòng)測(cè)溫。</p><p>　　紅外測(cè)溫模塊將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)引腳D連接IOA15傳

103、輸給SPCE061A,采用串行同步通信方式，其采用的差錯(cuò)校驗(yàn)方法為累加和校驗(yàn)，累加和校驗(yàn)是指發(fā)送方將所發(fā)送的數(shù)據(jù)塊求和【11】，并將“校驗(yàn)和”附加到數(shù)據(jù)塊末尾，接收方接收數(shù)據(jù)時(shí)也是先對(duì)數(shù)據(jù)塊求和，將所得結(jié)果與發(fā)送方的”校驗(yàn)和”時(shí)行比較，相符則無(wú)差錯(cuò)，否則即出現(xiàn)了差錯(cuò)。“校驗(yàn)和”的加運(yùn)算可用邏輯加，也可用算術(shù)加。累加和校驗(yàn)的缺點(diǎn)是無(wú)法檢驗(yàn)出字節(jié)位序(或1、0位序不同)的錯(cuò)誤。</p><p>　　3.4.2鍵盤及顯

104、示接口設(shè)計(jì)</p><p>　　按鍵和顯示功能采用配套的LED鍵盤模組實(shí)現(xiàn)，其中按鍵選擇 1×8 獨(dú)立按鍵，顯示采用6位8段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。在連接時(shí)要注意：按鍵公共端都接VCC，在鍵盤模塊上注意把ROW1和ROW2 用跳線短接起來(lái)。IOB口高八位連接 8個(gè)按鍵的COL8~COL1，IOA口低八位控制數(shù)碼管的段信號(hào)，IOB的低八位分別控制數(shù)碼管的位信號(hào)、發(fā)光二極管的公共端和第 4 位數(shù)碼管后時(shí)鐘冒號(hào)D_D

105、P的位信號(hào)，其中IOB的低六位控制位信號(hào)DIG1~DIG6，IOB6 控制發(fā)光二極管的公共端（本設(shè)計(jì)中沒(méi)有用到發(fā)光二極管模塊），IOB7 控制第 4 位數(shù)碼管后時(shí)鐘冒號(hào)D_DP的位信號(hào)，該信號(hào)低電平有效，配合時(shí)鐘冒號(hào)D_DP的段信號(hào)就可以點(diǎn)亮或者熄滅時(shí)鐘冒號(hào)。</p><p>　　3.4.3輔助部分接口設(shè)計(jì)</p><p>　　電源與SPCE061A的連接方式，SPCE061A的內(nèi)核供電為

106、 3.3V，而 I/O端口可接3.3V也可以接 5V，所以在電源模塊中有一個(gè)端口電平選擇跳線，由于本系統(tǒng)需要的端口高電平為 3.3V（紅外測(cè)溫模塊和LED鍵盤模塊的供電電壓都可為 3.3V），所以在正常工作狀態(tài)下，將跳線連接為3.3V的供電狀態(tài)即可。但向SPCE061A的ROM中加載程序時(shí)需要更高的電壓，所以在加載程序時(shí)，跳線連接為5V的供電狀態(tài)。</p><p><b>　　3.5電源模塊</b

107、></p><p>　　SPCE061A的內(nèi)核供電為 3.3V，而 I/O端口可接3.3V也可以接 5V，所以在電源模塊（61 板上）中有一個(gè)端口電平選擇跳線，如圖3-3中的 J5，此圖為 61 板上的電源模塊圖。由于本系統(tǒng)需要的端口高電平為 3.3V（紅外測(cè)溫模塊和LED鍵盤模塊的供電電壓都可為 3.3V），所以圖3-10當(dāng)中的J5 跳線需要跳到 1 和2上。</p><p>　　

108、圖3-10 電源模塊</p><p>　　該系統(tǒng)以16位單片機(jī)SPCE061A作為控制核心，由于紅外測(cè)溫模塊具有SPI接口，故可以直接與單片機(jī)的I/O口相連接，不需要信號(hào)放大及調(diào)理電路。鍵盤電路可以控制溫度的測(cè)量，并把測(cè)得的溫度通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。揚(yáng)聲器可以實(shí)現(xiàn)溫度的語(yǔ)言播報(bào)，超過(guò)設(shè)定值會(huì)自動(dòng)報(bào)警。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，該電源模塊為三節(jié)五號(hào)電池及電池盒組成。</p><p><

109、b>　　3.6抗干擾設(shè)計(jì)</b></p><p>　　watchdog,中文名稱叫做“看門狗”，全稱watchdog timer,從字面上我們可以知道其實(shí)它屬于一種定時(shí)器。</p><p>　　然而它與我們平常所接觸的定時(shí)器在作用上又有所不同。普通的定時(shí)器一般起記時(shí)作用，記時(shí)超時(shí) (Timer Out)則引起一個(gè)中斷，例如觸發(fā)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘中斷。windows用window

110、s的Timer，windows Timer的作用與方才所討論的定時(shí)器在功能上是相同的，只是windows Timer屬于軟件定時(shí)器,當(dāng)windows Timer記時(shí)超時(shí)則引起App向System發(fā)送一條消息從而觸發(fā)某個(gè)事件的發(fā)生。我們從以上的描述可知不論軟件定時(shí)器或硬件定時(shí)器他們的作用都是在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上引起一個(gè)事件的發(fā)生，對(duì)于硬件定時(shí)器來(lái)說(shuō)這個(gè)事件可能是通過(guò)中斷的形式得以表現(xiàn)，對(duì)于軟件定時(shí)器，這個(gè)事件則可以是以系統(tǒng)消息的形式得以表現(xiàn)。